義手の硬さの変化とその知覚機能を探る 操縦と社会的相互作用

Exploring Stiffness Modulation in Prosthetic Hands and Its Perceived Function in Manipulation and Social Interaction.

• Patricia Capsi-Morales
• Cristina Piazza
• Manuel G Catalano
• Antonio Bicchi
• Giorgio Grioli

抄録

人間は、様々な環境との物理的な相互作用や、状況に応じた要求に対応するために、手足の力と硬さの両方を適応させています。この動作を義肢に反映させることで、より自然で直感的な制御を促進し、結果として日常生活での義肢の受容性を向上させることができるかもしれません。本パイロット研究では、義肢ロボットハンドとそのインピーダンスを制御する方法を提案し、日常生活動作や身体的な社会的相互作用を行う際の可変剛性の有用性を検討する。提案する方法は、一対の拮抗する筋肉の上に配置された2つの表面筋電図センサから位置と硬さの意図を同時に比例的にデコードすることが可能である。我々のアプローチの実現可能性が検証され、1人の義肢ユーザーを含む予備研究で既存の制御モダリティと比較されている。このアルゴリズムは、ソフトで低振動の義手（SoftHand Pro）に実装されている。次に、様々なタスクを実行しながら、提案されたアプローチの使い勝手を評価します。これらのタスクの中で、ユーザは他の12名の健常者と対話し、その経験も評価した。その結果、システムユーザビリティスケールの統計的に有意ないくつかの側面から、ユーザは反応性と適応性のために、低または高一定の剛性よりも可変剛性制御を好むことが示された。健常者からのフィードバックでは、ソフトなインタラクション、すなわち低剛性を好む一般的な傾向が示されています。これらの結果を組み合わせることで、硬さを変化させることで、しっかりとしたコントロールと安全なインタラクションの間の実行可能な妥協点となり、さらに調査する価値があることが示唆されました。

To physically interact with a rich variety of environments and to match situation-dependent requirements, humans adapt both the force and stiffness of their limbs. Reflecting this behavior in prostheses may promote a more natural and intuitive control and, consequently, improve prostheses acceptance in everyday life. This pilot study proposes a method to control a prosthetic robot hand and its impedance, and explores the utility of variable stiffness when performing activities of daily living and physical social interactions. The proposed method is capable of a simultaneous and proportional decoding of position and stiffness intentions from two surface electro-myographic sensors placed over a pair of antagonistic muscles. The feasibility of our approach is validated and compared to existing control modalities in a preliminary study involving one prosthesis user. The algorithm is implemented in a soft under-actuated prosthetic hand (SoftHand Pro). Then, we evaluate the usability of the proposed approach while executing a variety of tasks. Among these tasks, the user interacts with other 12 able-bodied subjects, whose experiences were also assessed. Several statistically significant aspects from the System Usability Scale indicate user's preference of variable stiffness control over low or high constant stiffness due to its reactivity and adaptability. Feedback reported by able-bodied subjects reveal a general tendency to favor soft interaction, i.e., low stiffness, which is perceived more human-like and comfortable. These combined results suggest the use of variable stiffness as a viable compromise between firm control and safe interaction which is worth investigating further.

Copyright © 2020 Capsi-Morales, Piazza, Catalano, Bicchi and Grioli.